VSC-HVDC 系統概述

侯

（機械工業北京電工技術經濟研究所）

0 引言

柔性直流輸電是一種新型的直流輸電技術，CIGRE和IEEE將之定義為VSC-HVDC，該技術是由常規直流輸電技術演化發展而來的新型技術，除了具有輸送電壓高、輸送量大、輸電穩定可靠、可有效消除輸電中存在的故障等優點外，還具備以下幾項常規直流輸電技術不具備的優勢，即遇突發事故后可以快速恢復供電、輸電電壓穩定、設計更加科學合理便于運輸安裝、雙極運輸無需接入地極等新的優點作為新一代直流輸電技術，柔性直流輸電為電網輸電方式的變革和構建未來電網提供了有效的解決方案。

常規高壓直流輸電技術的研究和應用在我國已非常深入和成熟，有多個直流工程的廣泛實踐，并建設了世界上電壓等級最高、輸送容量最大的±800 kV 特高壓直流工程。柔性直流輸電技術的研究正處于技術不斷改進，工程應用不斷增長的高速發展期，未來隨著電力電子技術的進步和發展，柔性直流輸電在解決遠離，大容量輸電，新能源分布式電源接入，以及特大型交直流混合電網面臨的諸多問題時都將展現出其特有的優勢。

圖1 VSC-HVDC 結構示意圖

1 發展背景

加拿大McGill 大學的Boon Teck Ooi 等于1990 年提出了基于PWM 的VSC 直流輸電概念，在此基礎上ABB 公司把VSC 和聚合物電纜相結合提出了輕型直流輸電的概念，并于 1997年3 月在瑞典中部的赫爾斯楊（Hellsjon）進行了首次工業性試驗（±10kV，150A，3MW，10km）。這種以VSC、全控器件和PWM 技術為基礎的直流輸電技術，國際大電網會議（CIGRE）和美國電氣和電子工程師協會（IEEE）將其稱為“VSC-HVDC”,即“電壓源換流器型直流輸電”。ABB 公司稱其為“輕型直流（HVDC-Light）”，西門子公司稱其為“新型直流（HVDC-Plus）”，中國電力科學院等專家稱其為 “柔性直流（HVDC-Flexible）”。 自從 ABB 公司 1997 年赫爾斯揚實驗性工程的試驗成功以來，VSC-HVDC 技術在世界各國得到迅速發展。

2 VSC-HVDC 系統結構

圖1所示為用于風電場并網的柔性直流輸電系統單線結構示意圖，包括一個風電場、兩個換流站、兩條直流線路（電纜或架空線）和一個交流系統。風電場側換流站為送端換流站，工作在整流方式，將風電場輸出的交流電變成直流電通過直流線路傳輸到受端換流站；電網側換流站為受端換流站，工作在逆變方式，將直流電逆變成交流電后并入交流電網。

柔性直流輸電系統換流站的主要設備一般包括：電壓源換流器、相電抗器、聯結變壓器、交流濾波器、控制保護以及輔助系統（水冷系統、站用電系統）等。電壓源換流器包括換流電路和直流電容器，實現交流電和直流電轉換的換流電路由一個或多個換流橋并聯（或串聯）組成。電壓源型換流橋可以采用多種拓撲結構，工程中常用的有三相兩電平、二極管箝位式三電平和模塊化多電平結構。換流器中的每個橋有三個相單元，一個相單元有上下兩個橋臂，每個橋臂或由一重閥（兩電平）構成，或由兩重閥（三電平）構成，或由多重閥（多電平）構成。柔性直流輸電系統的換流閥由于并聯了續流二極管閥，因而具有雙向導通性，一個換流閥由一個或多個閥段組成，每個閥段又由多個閥層組成。在已投運的柔性直流工程中，閥層就是由壓裝式 IGBT 連同驅動電路、散熱片及其他輔助電路共同構成的。直流電容器為電壓源換流器提供直流電壓支撐、緩沖橋臂關斷時的沖擊電流、減小直流側諧波；相電抗器是電壓源換流器與交流系統進行能量交換的紐帶，同時也起到濾波的作用；交流濾波器的作用是濾除交流側高次諧波；聯結變壓器是帶抽頭的普通變壓器，其作用是為電壓源換流器提供合適的工作電壓，保證電壓源換流器輸出最大的有功功率和無功功率。

3 VSC-HVDC 工作原理

圖2所示為VSC-HVDC 交流側基波等效原理圖以及基波相量圖。當不計聯結變壓器和相電抗的電阻時，電壓源換流器交流母線電壓基頻分量 Us與交流輸出電壓的基頻分量Uc共同作用于聯結變壓器和相電抗的等效電抗Xc，并決定了電壓源換流器與交流系統之間傳輸的有功功率P和無功功率Q分別為式（1）和式（2）。

圖2 VSC-HVDC 交流側基波等效原理圖及基波相量圖

由式（1）和式（2）可以得到圖2b所示的換流器穩態運行時的基波相量圖。由圖可知，有功功率的傳輸主要取決于δ，無功功率的傳輸主要取決于 Uc。因此，通過調節δ就可以控制VSC-HVDC 輸電系統傳輸有功功率的大小和方向，通過控制 Uc的幅值就可以控制電壓源換流器吸收或發出的無功功率。從系統角度來看，VSC可以看成是一個無轉動慣量的電動機或發電機，幾乎可以瞬時實現有功功率和無功功率的獨立調節，實現四象限運行。

4 VSC-HVDC 系統特點

4.1 VSC-HVDC 系統的優點

柔性直流輸電是采用可控關斷型電力電子器件和PWM 技術，具有如下顯著的技術優勢。

1）柔性直流輸電線路相比于交流線路來說要少用一根導線，這使其線路造價較低、損耗較小，而且占用的輸電走廊也比較窄。

2）柔性直流電纜線路輸送容量大、損耗小、使用壽命長，并且輸送距離基本上不受限制。

3）柔性直流輸電一般使用地下或海底電纜，在鋪設時可以使用直埋技術，不僅降低了工程成本、縮短了工程時間，還減小了對環境的影響

4）柔性直流輸電不存在交流輸電的穩定性問題。

5）柔性直流輸電克服了常規直流輸電受端系統必須是有源網絡的根本缺陷，使利用 HVDC 為遠距離的孤立負荷送電成為可能。

6）柔性直流輸電克服了常規直流輸電不能單獨控制有功功率和無功功率的不足，可獨立、精確、靈活方便地對有功功率和無功功率進行控制。此外，能夠起到靜止同步補償器的作用，提高系統穩定性。

7）在潮流反轉時，直流電流方向反轉而直流電壓極性不變，這與常規直流輸電恰好相反。從而克服了傳統多端直流輸電系統并聯連接時潮流控制不便和串聯連接時影響可靠性的問題。

8）較常規直流輸電而言，其產生的諧波大為減弱，從而減小了濾波裝置的容量，簡化了換流站的結構，換流站占地面積僅為同容量下傳統HVDC 的20%左右。

此外，柔性直流輸電不會增加系統的短路容量，具有良好的電網故障后快速恢復控制和黑啟動能力，模塊化設計使柔性直流輸電的設計、生產、安裝和調試周期大大縮短，換流站間無需快速通信，可以相互獨立控制，易于實現無人值守等。

4.2 VSC-HVDC 系統的不足

從已投運的柔性直流輸電工程來看，其也有相對不盡如人意的地方，具體如下：

1）輸送容量有限。目前柔性直流輸電工程的輸送容量普遍不高，相對于特高壓直流輸電可以達到8000MW以上的輸送有功功率，柔性直流輸電目前最高設計輸送有功功率為1000MW。其受到限制的主要原因是一方面是由于受到電壓源型換流器件結溫容量限制，單個器件的通流能力普遍不高，正常運行電流最高只能做到2000A左右；另一方面是由于受到直流電纜的電壓限制，目前的XLPE擠包絕緣直流電纜的最高電壓等級為320kV，因此柔性直流換流站的極線電壓也受到限制。如果采用架空線路，電壓水平能夠提高，但是可靠性卻大大降低；如果采用油紙絕緣電纜則建設成本會大幅提高，輸電距離也會受到影響。

2）單位輸送容量成本高。相比于成熟的常規直流輸電工程，柔性直流輸電工程目前所需設備的制造商較少，主要設備尤其是子模塊電容器、直流電纜等供貨商都是國際上有限的幾家企業，甚至需要根據工程定制，安排排產，因此成本高昂。IGBT器件目前國內已經具備一定的生產能力，但是其內部的硅晶片仍然主要依靠進口。從目前國內舟山、廈門等柔性直流工程的建設成本來看，其單位容量造價約為常規直流輸電工程的4～5 倍。

3）故障承受能力和可靠性較低。由于目前沒有適用于大電流開斷的直流斷路器，而柔性直流輸電從拓撲結構上無法通過IGBT 器件完全阻斷故障電流，不具備直流側故障自清除能力，因此一旦發生直流側短路故障，必須切除交流斷路器，閉鎖整個直流系統，整個故障恢復周期較長，相對于傳統直流，柔性直流的故障承受能力和可靠性較低。如果采用雙極對稱接線方案可以一定程度上提高可靠性，但是故障極的恢復時間仍會受到交流斷路器動作時間的限制，整個系統完全恢復的速度比不上傳統直流。這也是架空線在柔性直流輸電中的應用受到限制的主要原因。

4）損耗較大。目前雖然采用子模塊多電平的柔性直流工程多將損耗控制在1%以內，與傳統直流的損耗相當，但是輸送容量相對于傳統直流還是很小，而如果容量提升，則必然需要更大規模的子模塊和更快的開關頻率，因此損耗也會相應提高。

5）輸電距離較短。由于沒有很好地解決架空線傳輸的問題，柔性直流輸電工程的電壓普遍不高，同時，柔性直流系統相對損耗較大，這就限制了其有效的輸電距離。

5 VSC-HVDC 系統的應用場合

柔性直流輸電系統克服了常規直流的固有缺陷，可以快速獨立地控制與交流系統交換有功和無功功率、控制公共連接點的交流電壓、潮流反轉方便靈活、可以自換相，因此具有提高交流系統電壓穩定性、功角穩定性、降低損耗、事故后快速恢復、便于電力交易等功能。加之設計施工方便靈活、施工周期短、電磁場污染、噪聲污染小、沒有油污染的特點，使得柔性直流特別適合在連接分散的新能源電源、弱交流節點處的交流電網非同步互聯、偏遠負荷供電、海上鉆井平臺或孤島供電、提高配電網電能質量等領域應用。它的出現為直流輸電技術開辟了更廣闊的應用領域，其主要適用的場合如下：

1）新能源并網。

2）異步電網互聯。

3）構建城市直流輸配電網。

4）向遠方孤立負荷點送電。

5）提高配電網電能質量。

6）電力交易。

6 結束語

柔性直流輸電是構建智能電網的重要裝備，與傳統方式相比，柔性直流輸電在孤島供電、城市配電網的增容改造、交流系統互聯、大規模風電場并網等方面具有較強的技術優勢，是改變大電網發展格局的戰略選擇。